28.Термоэлектрические явления и их применение.
Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, находящихся при
одинаковой температуре, э.д.с. не возникает, т. е. не происходит возбуждения электрического тока. Однако
если температура контактов не одинакова, то в цепи возникает электрический ток, называемый
термоэлектрическим. Явление возбуждения термоэлектрического тока (явление Зеебека), а также тесно
связанные с ним явления Пельтье и Томсона называются термоэлектрическими явлениями.
1. Явление Зеебека (1821). Немецкий физик Т. Зеебек (1770—1831) обнаружил, что в замкнутой цепи,
состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют
различную температуру, возникает электрический ток.
Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2 с температурами спаев
Т
1
(контакт А) и T
2
(контакт В), причем Т
1
>Т
2
(рис.331).
Не вдаваясь в подробности, отметим, что в замкнутой цепи для многих пар
металлов (например, Cu— Bi, Ag—Cu, Au — Cu) электродвижущая сила
прямо пропорциональна разности температур в контактах:
ξ=(T
1
-T
2
).
Эта э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой. Направление тока
при T
1
>Т
2
на рис.331 показано стрелкой. Термоэлектродвижушая сила,
например для пары металлов медь — константан, для разности температур
100 К составляет всего 4,25 мВ.
Причина возникновения термоэлектродвижущей э.д.с. ясна уже из
формулы (246.2), определяющей внутреннюю контактную разность
потенциалов на границе двух металлов. Дело в том, что положение уровня Ферми зависит от температуры.
Поэтому если температуры контактов разные, то разными будут и внутренние контактные разности
потенциалов. Таким образом, сумма скачков потенциала отлична от нуля, что и приводит к
возникновению термоэлектрического тока. Отметим также, что при градиенте температуры происходит и
диффузия электронов, которая тоже обусловливает термо-э.д.с.
Явление Зеебека не противоречит второму началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя
энергия преобразуется в электрическую, для чего используется два источника теплоты (два контакта).
Следовательно, для поддержания постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать
постоянство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а
от холодного — непрерывно ее отводить.
Явление Зеебека используется для измерения температуры. Для этого применяются термоэлементы, или
термопары — датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных
металлических проводников. Если контакты (обычно спаи) проводников (проволок), образующих
термопару, находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая
зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Чувствительность
термопар выше, если их соединять последовательно. Эти соединения называются термобатареями (или
термостолбиками). Термопары применяются как для измерения ничтожно малых разностей температур,
так и для измерения очень высоких и очень низких температур (например, внутри доменных печей или
жидких газов). Точность определения температуры с помощью термопар составляет, как правило, не-
сколько кельвин, а у некоторых термопар достигает 0,01 К. Термопары обладают рядом преимуществ
перед обычными термометрами: имеют большую чувствительность и малую инерционность, позволяют
проводить измерения в широком интервале температур и допускают дистанционные измерения.
Явление Зеебека в принципе может быть использовано для генерации электрического тока. Так, уже
сейчас к. п. д. полупроводниковых термобатарей достигает 18%. Следовательно, совершенствуя
полупроводниковые термоэлектрогенераторы, можно добиться эффективного прямого преобразования
солнечной энергии в электрическую.
2. Явление Пельтье (1834). Французский физик Ж. Пельтье (1785—1845) обнаружил, что при
прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его
направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким
образом, явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека. В отличие от джоулевой
теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени
силы тока и меняет знак при изменении направления тока.
Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлических проводников 1 и 2 (рис.
332), по которым пропускается ток I' (его направление в данном случае выбрано совпадающим с
35